Mol Cell | DNA甲基化与增强子活性

2023-02-18 19:33:18, 亦

撰文 | 亦


发育过程中，增强子是一类决定细胞身份的顺式元件，对于精准控制相关基因十分重要【1】。哺乳动物中增强子的活化与DNA甲基化紧密相关，其激活后抑制性表观遗传标记5mC会显著减少【2-3】，但这一表观重构过程对于增强子活化而言是否必需还没有定论。活化增强子中平均甲基化水平在10%至60%间，说明细胞群体内部存在着异质性。此外，5mC水平的降低还可能是转录因子（TFs）的结合造成的【4】，由于二者间存在双向调控，增强子处TF的占据是否是造成5Mc移除的原因还不得而知，为更好地理解这一复杂关系，鉴定出受5mC调控的增强子就十分必要。

2023年2月8日，来自欧洲分子生物学实验室的Arnaud Regis Krebs团队在Molecular Cell上发表了题为Single-molecule footprinting identifies context-dependent regulation of enhancers by DNA methylation的文章。作者在单分子分辨率水平分析了DNA甲基化，染色质开放状态（chromatin accessibility, CA）和转录因子结合情况，发现增强子的活性并不总是由DNA甲基化控制，他们鉴定出了受转录因子结合调控的增强子亚群。


作者首先利用单分子印记同时测量了基因组单个DNA分子的5mC，CA和TF结合情况，他们利用甲基转移酶M.CviPI来标记mESCs基因组，用亚硫酸氢盐测序来分析甲基化模式，靶向富集保障了高覆盖度和高重复性。利用超过100 bp的开放信息，作者能够区分出核小体结合的DNA分子和染色质开放的DNA分子，通过比较分子的CpGs甲基化状态，作者能够了解顺式元件处5mC是否与CA减弱相关（图1）。通过对高度覆盖的102,400个CpGs的分析，作者发现大多数CpGs开放的分子5mC都不减少，说明广谱上，5mC和增强子开放状态间没有关联。

图1 实验策略及原理

作者猜想5mC的调控作用只存在于一小群增强子中，于是他们分别鉴定出了3,298个5mC和CA负相关的CpGs（这些位点中，5mC和CA通常在不同的DNA分子中被发现），2,477个5mC和CA正相关的CpGs（这些位点中，5mC和CA频繁出现在相同分子中）。对于增强子处5mC和CA的负相关性，一种可能是细胞间在增强子使用上存在差异，另一种可能则是细胞内两等位基因使用上的差异，通过对印记控制区域（ICRs）的分析验证，作者排除了后者。接下来，作者对5mC-CA负相关性位点的特异性进行了探究，他们将其与其他无相关性的位点比较，发现大多数负相关的位点都远离基因启动子，是基于染色质修饰注释的增强子，这些位点有活性染色质标志如H3K27ac且CA水平更高，与DNase超敏位点距离很近。进一步地，作者对有不同5mC-CA相关性CpGs的5mC水平进行扰动，发现不同增强子的响应不同，负相关性的增强子CA显著增加，说明5mC控制着CA水平，进而影响增强子活性。

接下来，作者在体外向神经前体细胞的分化过程中检测mESCs中这些负相关增强子的命运，发现它们获得5mC并失去CA，再次验证了5mC对CA的调节。这一调节在红系和肌肉谱系的体细胞中也被观察到，说明它不是多能态细胞特异的，但其只存在于一种细胞类型中，提示5mC促进细胞类型特异增强子的调节。这一增强子甲基化敏感性背后的分子机制来源于5mC对TF结合的调节，TFs只能结合没有5mC的识别基序，这一调节依赖于DNMTs的甲基化和TET去甲基化的平衡。


总的来说，文章用单分子印记测量了染色质开放性和转录因子结合情况以用于表征甲基化DNA分子的功能，并在多个细胞谱系中测试了DNA甲基化对于染色质开放性的影响。作者发现对于大多数增强子的活性而言，DNA甲基化是可有可无的，但他们鉴定出了一类细胞类型特异的增强子，其DNA甲基化会拮抗转录因子结合，即这些位点染色质开放和转录因子的结合需要去甲基化。至此，作者发现了DNA甲基化除保护基因组不被虚假激活外，直接控制激活增强子处的转录因子结合的另一作用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.01.017


制版人：十一



参考文献


1. Long, H.K., Prescott, S.L., and Wysocka, J. (2016). Ever-changing landscapes: transcriptional enhancers in development and evolution. Cell 167, 1170–1187. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.09.018.
2. Hartl, D., Krebs, A.R., J€uttner, J., Roska, B., and Sch€ubeler, D. (2017). Cisregulatory landscapes of four cell types of the retina. Nucleic Acids Res. 45, 11607–11621. https://doi.org/10.1093/nar/gkx923.
3. Hodges, E., Molaro, A., Dos Santos, C.O., Thekkat, P., Song, Q., Uren, P.J., Park, J., Butler, J., Rafii, S., McCombie, W.R., et al. (2011). Directional DNA methylation changes and complex intermediate states accompany lineage specificity in the adult hematopoietic compartment. Mol. Cell 44, 17–28. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2011.08.026.
4. Stadler, M.B., Murr, R., Burger, L., Ivanek, R., Lienert, F., Scho¨ ler, A., van Nimwegen, E., Wirbelauer, C., Oakeley, E.J., Gaidatzis, D., et al. (2011). DNA-binding factors shape the mouse methylome at distal regulatory regions. Nature 480, 490–495. https://doi.org/10.1038/nature10716.
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